Локальный реализм

Локальный реализм — это философская и физическая концепция, согласно которой физические свойства объектов существуют объективно и независимо от процесса измерения (реализм), а также любые взаимодействия и влияния между объектами не могут распространяться быстрее скорости света (локальность). Данная концепция лежала в основе классической физики и здравого смысла до появления квантовой механики, которая поставила под сомнение одновременную выполнимость обоих принципов.

История возникновения и развития

Классические предпосылки

Идея локального реализма восходит к механистической картине мира, сформированной в XVII—XIX веках трудами Исаака Ньютона, Пьера-Симона Лапласа и Джеймса Клерка Максвелла. В рамках классической физики предполагалось, что любой физический объект (частица, поле) обладает определёнными значениями всех своих параметров (положение, импульс, энергия) в любой момент времени, независимо от того, наблюдает ли их кто-то. Взаимодействие между объектами описывалось как передача сигнала или силы с конечной скоростью, не превышающей скорость света в вакууме (принцип локальности, вытекающий из специальной теории относительности).

Квантовый вызов

В 1920—1930-х годах развитие квантовой механики привело к формулировке принципа неопределённости Вернера Гейзенберга и принципа дополнительности Нильса Бора. Согласно копенгагенской интерпретации, квантовые объекты не имеют определённых значений свойств до момента измерения. Акт измерения «заставляет» систему принять одно из возможных состояний. Это прямо противоречило реализму.

В 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен опубликовали статью, известную как парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР). Они показали, что если квантовая механика верна, то для двух связанных (запутанных) частиц измерение состояния одной мгновенно определяет состояние другой, независимо от расстояния между ними. Это явление, названное «квантовой нелокальностью», выглядело нарушающим принцип локальности. Эйнштейн назвал его «призрачным действием на расстоянии» и предположил, что квантовая механика неполна — существуют скрытые параметры, которые, если бы мы их знали, восстановили бы локальный реализм.

Теорема Белла

В 1964 году физик Джон Стюарт Белл сформулировал теорему, которая позволила экспериментально проверить, возможен ли локальный реализм. Белл вывел неравенства (неравенства Белла), которые должны выполняться для любой теории, основанной на локальном реализме. Квантовая механика предсказывала нарушение этих неравенств для определённых типов запутанных состояний.

Экспериментальная проверка

Ранние эксперименты

Первые эксперименты по проверке неравенств Белла были проведены в 1970-х годах Джоном Клаузером и Стюартом Фридманом. Результаты, хотя и не идеальные, указывали на нарушение неравенств, что свидетельствовало в пользу квантовой механики и против локального реализма.

Эксперименты Алена Аспе

В 1981—1982 годах группа французского физика Алена Аспе провела серию экспериментов с использованием оптических переключателей, которые меняли настройки поляризационных фильтров во время полёта фотонов. Это устраняло возможные «лазейки» для локальных реалистических теорий, связанные с возможностью обмена информацией между детекторами. Результаты Аспе с высокой точностью подтвердили предсказания квантовой механики и нарушили неравенства Белла.

Современные тесты

В последующие десятилетия проводились всё более точные эксперименты, закрывающие различные «лазейки» (например, лазейка свободы выбора, лазейка детектирования). В 2015 году несколько групп (включая группу Рональда Хансона в Делфте) одновременно провели «безлазеечные» тесты Белла, которые окончательно подтвердили, что локальный реализм несовместим с экспериментальными данными.

Критика и альтернативные интерпретации

Попытки сохранить локальный реализм

Несмотря на экспериментальные результаты, некоторые физики и философы пытались разработать теории, которые сохраняли бы локальный реализм, но не нарушали бы неравенства Белла. Наиболее известные попытки включают:

• Теории со сверхдетерминизмом: предполагают, что настройки измерительных приборов и состояния частиц предопределены общими скрытыми причинами, что делает невозможным «свободный выбор» экспериментатора.
• Теории с суперлюминальной связью: допускают существование сигналов, распространяющихся быстрее света, но в рамках специальной теории относительности такие теории считаются проблематичными.

Интерпретации квантовой механики

Современная физика в целом отказалась от локального реализма как фундаментального принципа. Вместо этого приняты различные интерпретации квантовой механики, которые по-разному трактуют природу реальности:

• Копенгагенская интерпретация: отрицает реализм на микроуровне; свойства возникают только в момент измерения.
• Многомировая интерпретация: сохраняет реализм, но отказывается от локальности; все возможные исходы реализуются в параллельных вселенных.
• Интерпретация де Бройля — Бома (пилот-волна): сохраняет реализм, но является нелокальной; частицы движутся по определённым траекториям под действием квантового потенциала, который мгновенно меняется при изменении конфигурации всей системы.
• Квантовая теория информации: рассматривает квантовые состояния как информацию, а не как физические объекты.

Значение и последствия

Фундаментальная физика

Отказ от локального реализма является одним из самых глубоких следствий квантовой механики. Он означает, что на фундаментальном уровне мир не является ни локальным, ни реалистичным в классическом смысле. Это не означает, что макроскопические объекты ведут себя нелокально или нереалистично — квантовые эффекты, как правило, усредняются и исчезают в больших системах (принцип соответствия).

Квантовые технологии

Нарушение локального реализма лежит в основе квантовых технологий:

• Квантовая криптография: использует запутанность для создания абсолютно защищённых каналов связи.
• Квантовая телепортация: передача состояния частицы на расстояние без перемещения самой частицы.
• Квантовые вычисления: использование запутанных состояний для параллельных вычислений, невозможных на классических компьютерах.

Философские аспекты

Вопрос о локальном реализме затрагивает фундаментальные философские проблемы: что такое реальность, какова роль наблюдателя в физике, существует ли объективная картина мира, независимая от нашего восприятия. Экспериментальное опровержение локального реализма привело к пересмотру понятий причинности, детерминизма и объективности в современной науке.

Современное состояние

В настоящее время локальный реализм считается экспериментально опровергнутой концепцией. Большинство физиков принимают, что квантовая механика является нелокальной и нереалистичной (в смысле отсутствия предсуществующих значений свойств). Однако философские дебаты о том, что именно означает «нелокальность» и «нереалистичность», продолжаются. Некоторые исследователи, такие как Л. Вайдман, предлагают более тонкие формулировки, например, «локальный реализм в смысле Белла» — это строго определённое математическое понятие, которое не обязательно эквивалентно интуитивному представлению о реальности.

Источники

1. Эйнштейн А., Подольский Б., Розен Н. «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?» (1935).
2. Белл Дж. С. «О парадоксе Эйнштейна — Подольского — Розена» (1964).
3. Аспе А., Гранжье П., Роже Г. «Экспериментальная реализация неравенств Белла с использованием анализаторов с переменным временем» (1982).
4. Хансон Р. и др. «Безлазеечный тест Белла с использованием запутанных электронных спинов» (2015).
5. Мермин Н. Д. «Квантовая механика: локальный реализм и квантовая запутанность» (1985).
6. Пенроуз Р. «Новый ум короля: о компьютерах, мышлении и законах физики» (1989).
7. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Квантовая механика: нерелятивистская теория» (1974).